低氣壓環(huán)境下的電子元器件可靠性解析

一、低氣壓環(huán)境

在地球引力作用下，空氣依附在地球周?chē)?，形成大氣層，大氣層從地面一直向上延伸到數百公里高空。地球的引力使空氣具有一定重量形成大氣壓力，在某高度上的大氣壓力，是該點(diǎn)以上垂直于地面的單位面積上整個(gè)空氣柱的重量。大氣壓是各向同性的，即在某一點(diǎn)上，不管在哪個(gè)方向上測量大氣壓都是相等的。大氣壓力的大小主要取決于海拔高度，隨高度的增加，大氣壓力逐漸降低，大氣逐漸變得稀薄。高度接近于5.5km處，大氣壓力降低到大約海平面標準大氣壓值的一半;接近16km處的大氣壓力為標準海平面值的1/10;在接近31km處的大氣壓力為海平面標準大氣壓值的1/100.大氣壓力的降低，必然對高海拔地區使用的電工電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響。我國約有50%的地球表面積高于海平面1000m,約有25%的面積高于海平面2000m.壓力梯度越大，壓力改變得越快，元器件損壞的機會(huì )就越多。

二、低氣壓環(huán)境對電子元器件的影響

1.對散熱產(chǎn)品影響

電工電子產(chǎn)品中有相當一部分是散熱產(chǎn)品，如電機、變壓器等，這些產(chǎn)品在使用中要消耗一部分電能，使其變成熱能，使產(chǎn)品溫度升高。散熱產(chǎn)品的溫升隨大氣壓的降低而增加。表1列出了小型三向異步電動(dòng)機溫升隨海拔高度的變化。

由表1可以看出：散熱產(chǎn)品的溫升隨海拔高度的增加(大氣壓力的降低)而增加。

溫升與海拔高度大致成線(xiàn)性關(guān)系，如圖1所示。其斜率取決于本身結構、散熱情況、環(huán)境溫度等因素。

散熱產(chǎn)品的熱耗散可以分成3種形式：

傳導、對流和輻射。大量散熱產(chǎn)品的散熱主要依靠對流，即依靠產(chǎn)品周?chē)目諝饬鲃?dòng)來(lái)散熱，對流散熱一般又可分為強迫通風(fēng)散熱和自然對流散熱。自然對流散熱是依靠產(chǎn)品發(fā)熱產(chǎn)生的溫度場(chǎng)，造成產(chǎn)品周?chē)諝獾臏囟忍荻?，使空氣流?dòng)散熱。強迫通風(fēng)散熱是通過(guò)強制措施，迫使空氣流過(guò)產(chǎn)品，帶走產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量。對強迫對流散熱來(lái)說(shuō)，在體積流不變情況下，隨高度增加，大氣壓將伴隨著(zhù)空氣密度降低?？諝饷芏冉档蛯⒅苯佑绊憦娖葘α魃岬男Ч?。這是由于強迫對流散熱是依靠氣體的流動(dòng)帶走熱量的。一般電機用的冷卻風(fēng)扇，是保證流過(guò)電機的體積流量不變，當高度增加時(shí)，由于空氣密度下降，即使體積流量不變，氣流的質(zhì)量流量將隨之降低。

2.對電子元器件性能的影響

高度增加氣壓降低，對電子元器件的性能也會(huì )產(chǎn)生影響。特別是以空氣作為絕緣介質(zhì)的設備，低氣壓對其影響更為顯著(zhù)。在正常大氣條件下，空氣是絕好的絕緣介質(zhì)，許多電器產(chǎn)品采用空氣作為絕介質(zhì)。當這些產(chǎn)品用于高海拔地區作為械設備時(shí)，由于大氣壓力降低，常常在電場(chǎng)強度較強的電極附近產(chǎn)生局部放電現象。更嚴重的是有時(shí)會(huì )發(fā)生空氣間隙擊穿，這意味著(zhù)設備的正常工作受到破壞。

三、低氣壓環(huán)境下電子元器件的可靠性控制

1.元器件的合理選用

根據元器件在電路中的使用特性進(jìn)行設計分析并合理選用元器件，是元器件可靠性的基礎。電子元器件的可靠性控制點(diǎn)應前移，從源頭抓起，即從設計選用、優(yōu)選廠(chǎng)家、壓縮品種、可靠性試驗、提高質(zhì)量等級抓起，使那些用代價(jià)換來(lái)的預防措施在源頭就發(fā)揮作用，而不能總是處于補救措施狀態(tài)。并且，應該從元器件可靠性物理分析角度，系統地進(jìn)行失效信息的收集與分析、失效分析、破壞性物理分析、密封器件內部氣氛分析、失效模式及機理與工藝的相關(guān)性分析、失效模式與影響分析等元器件的質(zhì)量與可靠性分析技術(shù)等，將元器件質(zhì)量與可靠性分析技術(shù)融入元器件產(chǎn)品設計、制造過(guò)程，實(shí)現元器件的可靠性增長(cháng)。

2.元器件的監制、試驗和驗收

元器件的生產(chǎn)、試驗和驗收，是保證元器件質(zhì)量的重要環(huán)節，也是航天產(chǎn)品元器件可靠性的關(guān)鍵控制點(diǎn)，其過(guò)程控制的好壞決定了元器件的固有質(zhì)量。電子元器件按功能劃分，有電子元件、分立器件和微電路等;按采購渠道劃分，有進(jìn)口和國產(chǎn)元器件之分;按產(chǎn)品成熟性劃分，有貨架產(chǎn)品和新品器件。不同元器件有不同的控制要求，在下廠(chǎng)監制和驗收、到貨檢驗時(shí)應有不同的處理方法和程序。因此，應將元器件分門(mén)別類(lèi)地進(jìn)行劃分，規定各類(lèi)元器件的監制方式、特殊試驗要求和驗收辦法，并明確相應的程序和執行單位或部門(mén)。

3.破壞性物理分析

元器件DPA(破壞性物理分析)的主要目的是要防止有明顯或潛在缺陷的元器件裝機使用。除用于元器件的質(zhì)量鑒定外，在航天產(chǎn)品中，還用于元器件的驗收、裝機前元器件的質(zhì)量復查、元器件超期復驗以及元器件的失效分析。在一般產(chǎn)品上，DPA通常用于已裝機元器件的質(zhì)量驗證。在航天產(chǎn)品上，DPA必須在元器件裝機以前完成，因此，需明確航天產(chǎn)品用元器件進(jìn)行DPA的時(shí)機、DPA的試驗項目、實(shí)施DPA的機構、DPA的數據記錄要求和DPA結果的處理方法。

4.元器件的失效分析方法

元器件失效分析的主要任務(wù)是對失效的元器件進(jìn)行必要的電、物理、化學(xué)的檢測，并結合元器件失效前后的具體情況及有關(guān)技術(shù)文件進(jìn)行分析，以確定元器件的失效模式、失效機理和造成失效的原因。通過(guò)失效分析可以發(fā)現失效元器件的固有質(zhì)量問(wèn)題，也有可能發(fā)現元器件因不按規定條件使用而失效的使用質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)向有關(guān)方面反饋，促使責任方采取糾正措施，提高元器件的固有質(zhì)量或使用質(zhì)量。相對來(lái)說(shuō)，失效模式的確定比較簡(jiǎn)單，而確定失效機理的難度較大，分析人員必須掌握元器件的設計、工藝和有關(guān)的理化知識，并有一定的實(shí)踐經(jīng)驗。此外，還要具備較復雜的儀器、設備。在明確失效機理后，還必須找出失效原因，才能避免重復失效，提高元器件的固有質(zhì)量或使用質(zhì)量。但根據失效機理確定失效原因，往往涉及失效現場(chǎng)和責任人等具體情況，確定起來(lái)有相當大的難度。因此，首先要確定進(jìn)行失效分析的單位，規定提交失效分析的程序和失效信息，以及產(chǎn)品研制各階段失效元器件的失效信息記錄要求等，然后，根據失效分析的結論，對引起失效的原因進(jìn)行歸零處理。若為設計缺陷，應和生產(chǎn)廠(chǎng)家一起找出問(wèn)題所在并進(jìn)行改進(jìn);若為操作失誤，必須嚴格操作規范，避免引入人為的失誤。從而達到失效分析的目的，使器件制造和生產(chǎn)操作更上一個(gè)臺階。

5.元器件質(zhì)量信息的管理

在元器件選用、采購、監制和驗收、篩選和復驗以及失效分析質(zhì)量保證環(huán)節中，存在大量的元器件質(zhì)量信息，例如，選用目錄外元器件的規格、型號、生產(chǎn)廠(chǎng)商、質(zhì)量等級以及在航天產(chǎn)品上的使用情況;國內新品器件的研制廠(chǎng)家及新品器件使用情況;進(jìn)口器件的質(zhì)量保證情況;元器件失效分析報告和處理情況等。

綜上所述，低氣壓會(huì )使電子元器件的性能受到很大影響，有時(shí)會(huì )導致直接損壞。

低氣壓環(huán)境條件對元器件的影響在正常大氣條件下是無(wú)法模擬的，必須按相關(guān)標準進(jìn)行試驗。為此，一定要加強環(huán)境條件試驗的標準化工作，從設計環(huán)節就開(kāi)始考慮環(huán)境變化對產(chǎn)品的影響，增強產(chǎn)品對環(huán)境的適應性，從而提高產(chǎn)品的可靠性。